适用于剧烈颠簸的水面条件的高速水运工具

摘要

本发明公开了一种适用于在剧烈颠簸的水面条件下运行的水运工具。该水运工具包括中央平台(13)以及两对船体单元(60)，前部一对和后部一对。船体单元位于平台的相对侧上并延伸于平台下方，每个船体单元包括附联到平台的安装部(54)及通过可动船体支撑部连接到该安装部的后船体。通过结合部(58，62)连接这些船体单元的零件，所述结合部被安置成限制船体相对于平台(12)的横向和轴向运动但允许其围绕安装部(54)枢转。每个船体单元具有悬置组件，该悬置组件被安置成支撑对应的船体单元并包括悬置部件(66)，该悬置部件从平台(12)延伸到相应安装部的船体后部上的安装点(20)，并被安置成可调节相关船体相对于平台的运动和缓冲船体的运动。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于在相对剧烈颠簸的水面条件下高速运行的水运 工具(watercraft)。更具体地说，本发明涉及一种被设计成在剧烈颠簸或湍 急条件下以较高速度行驶的船舶(boat)。

发明内容

根据本发明，提供了一种适用于在剧烈颠簸的水面条件下运行的水运 工具，该水运工具包括：

中央平台；

至少一对船体单元，该对船体单元位于平台的相对侧上并在平台下方 延伸，每一船体单元包括附联到平台的安装部和后船体(trailing hull)，该 后船体在其前沿(leading edge)处通过至少一个结合部被连接到所述安装 部，所述结合部被安置成限制船体相对于平台横向和轴向运动，但允许其 围绕安装部枢转，所述船体具有足够的浮力以将船舶支撑于水中而平台与 水不接触(clear of the water)；及

至少一对悬置组件(suspension assemblies)，它们被安置成支撑相应的 船体单元，每一悬置组件包括悬置部件，该部件从平台延伸到在对应的安 装部的船体后部(hull aft)上的安装点且被安置成调节船体相对于平台的运 动并缓冲船体的运动。

水运工具也可包括两对船体单元，前部(forward)一对，后部一对。

每个船体单元优选包括可动船体支撑部，该可动船体支撑部位于附联 到平台的安装部和后船体之间，通过第一铰链结合部可动船体支撑部在其 前端处被连接到安装部的后端，且通过第二铰链结合部可动船体支撑部在 其后端处被连接到船体的前端。

优选每个船体单元沿横向于其纵向轴线的方向具有大致“S”形的轮廓， 并带有由附联到平台的安装部限定的前端和由对应的后船体的后端限定的 后端，船体单元的后端低于其前端。

沿平行于平台的纵向轴线方向可动船体支撑部的长度优选约为沿相同 方向的后船体长度的20％到40％。

在每一船体的前端处垂直运动的最大范围优选约为船体后端处的垂直 运动的最大范围的10％到30％。

在水运工具的一优选实施例中，每个船体在其前端处沿横向于平台的 纵向轴线方向的宽度约为沿相同方向的船体的最大宽度的50％到100％。

最优选的是，每个船体在其前端处的宽度约为船体最大宽度的60％。

此外，在该水运工具的一优选实施例中，每个船体在其前端处的垂直 截面深度为船体的最大垂直截面深度的2％到20％。

最优选的是，每个船体在其前端处的垂直截面深度约为最大垂直截面 深度的10％。

优选每个船体单元从其前端相对于平台的纵向轴线向后和向外弯曲。

水运工具可包括处于船体和可动船体支撑部之间的辅助悬置单元，该 辅助悬置单元被构成为用于控制在相关船体(hull relative)和可动船体支撑 部之间的相对运动。

优选辅助悬置单元包括弹簧和缓冲装置。

辅助悬置单元还可包括止动机构，优选使止动机构预先张紧，致使在 水运工具静止不动时船体相对于可动船体支撑部呈完全伸展的位置。

相对于平台支撑船体的悬置组件的每一个可包括后臂，所述后臂在其 第一端或邻近其第一端处可枢转地连接到平台，以及在其第二端或邻近其 第二端处连接到对应的船体。

每个悬置组件可包括悬置元件，该悬置元件在后臂两端中间的点处连 接于平台和后臂之间。

悬置元件可包括弹簧和缓冲装置。

或者，悬置元件可包括至少一个液压致动器。

可预先张紧每个悬置组件，致使在水运工具静止不动时每个对应的船 体相对于平台呈完全伸展的位置。

水运工具可包括在至少一对船体单元和平台之间延伸的柔性壁 (flexible walls)，借此在船体单元之间、水运工具下方限定出空气流动通道。

优选柔性壁包括多块重叠条板，每块条板可枢转地安装，以调节船体 单元和平台之间的相对运动。

水运工具可包括至少一个处于水运工具的船尾处的挡板，该挡板被安 置成至少部分地靠近通道的后端，以便在使用中被限于通道中的空气提供 的提升力(lift)最大。

优选将所述挡板或一些挡板安置成当船体受到大的偏移(substantial excursions)时所述挡板与相应的后部船体嵌合，以便使用中使挡板升起 (lift)而不与水接触。

水运工具可包括至少一个安装在平台内或平台上的推进单元以及一对 螺旋推进器，一个螺旋推进器被安装在船体单元的每个对应的后端上，所 述螺旋推进器通过可伸缩的驱动轴被连接到所述至少一个推进单元上。

附图说明

图1为本发明船舶的绘制视图(pictorial view)；

图2为图1所示船舶的底部平面图；

图3为沿图1中线3-3剖切的截面图；

图4(a)为沿图1中线4-4剖切的截面图；

图4(b)为一备选实施例的与图4(a)类似的局部截面图；

图5为所示船舶的后视图；

图6为所示船舶的前视图；

图7为所示船舶的船体单元的截面示意图。

具体实施方式

所示出的水运工具被设计成用于在相对剧烈颠簸的水面条件下高速运 行。

简要地说，这可通过设置中央主体或平台来实现，两组独立悬置的船 体单元、前部一对(forward pair)和后部一对(aft pair)被附联于该中央主 体上。每一船体单元在其前端处被安装于平台上并具有向后延伸(extending aft)、可大范围运动(move through a substantial range of travel)的后端。弹 簧和缓冲悬置部控制每一船体相对于中央平台的运动。

每个船体具有用于高速运行的流体动力学形状并具有比中央平台的质 量相对小的质量。因此，本发明的船舶在某种程度上类似于具有带小的非 缓冲质量(unsprung mess)的悬置系统的陆路机动车辆。

现参考附图，本发明的船舶l0的一实施例包括具有船首14和船尾16 的狭长的中央平台12。驾驶舱18处于船首和船尾之间，发动机舱20设置 在驾驶舱和船尾之间。

一对弯曲的叶片状的固定船体支撑部22.1和22.2处于船首14的各侧， 它们从平台12横向向外延伸。借助对应的铰链26.1和26.2一对可动船体 支撑部24.1和24.2在其前端处被枢转地连接到对应的固定船体支撑部22.1 和22.2的后端上。这些铰链使可动船体支撑部相对于固定船体支撑部枢转， 但阻止可动船体支撑部相对于固定船体支撑部和平台12作横向和轴向运 动。

相应的前部船体28.1和28.2枢转地连接到每个可动船体支撑部24.1 和24.2的后端。这些船体在它们的前端处通过铰链接合部30.1和30.2被连 接到对应的可动船体支撑部并设有作用于这些船体和可动船体支撑部之间 的悬置单元32.1和32.2，每个悬置单元包括可调节的盘簧和缓冲器(减震 器)组件。

除了在它们的前端处被铰链30和悬置单元32支撑外，每个船体28.1 和28.2被相应的后臂34.1和34.2支撑。每个后臂被连接到平台前端处的枢 接点36.1或36.2上，而在平台的后端处所述后臂被连接到安装于相应船体 的上部表面上的转座(swivel mount)38.1或38.2。枢接点36.1或36.2装有 通常为“Rubaride”类型的轴单元的弹性衬套，该轴单元帮助分担悬置载荷。 转座38.1或38.2包括与后臂后端连接的枢轴颈以及连接到相应船体的弹性 安装部。弹性安装部包括传统类型的弹性衬套。该弹性衬套提供不锈、不 卡住的轴承单元。

由于船体和后臂的运动弧度的差异，弹性安装部可调节枢接点的前后 运动。后臂两端处的枢轴颈被定向成它们的轴线与平台12的纵向轴线呈直 角地延伸，因此可使船体相对于平台垂直运动，但阻止船体相对于平台作 横向和轴向运动。

支柱40.1和40.2从相应的后臂两端中部上(on the respective trailing arms intermediate the ends thereof)的安装点向内延伸，并可枢转地被连接到 安装在平台12内的支撑部46.1和46.2上的相应摇杆44.1和44.2的舷外端 42.1和42.2。可调节的悬置单元50.1和50.2被连接到摇杆的对应舷内端48.1 和48.2，每个悬置单元包括盘簧和缓冲器，而悬置单元的最下端被连接到 对应的支架52.1和52.2上。

在一种与船体单元的一对前部类似的配置中，所示出的船舶还包括船 体单元的一对后部。固定船体支撑部54.1和54.2分别从平台12横向向外 延伸并与前部船体28.1和28.2相邻，借助相应的横向方位的铰链58.1和 58.2固定船体支撑部被安装到对应的可动船体支撑部件56.1和56.2上。对 应的后部船体60.1和60.2由铰链62.1和62.2以及对应的悬置单元64.1和 64.2可枢转地被连接到可动船体支撑部件56.1和56.2上，每个悬置单元64.1 和64.2包括盘簧和缓冲器组件。

对应的后臂66.1和66.2从平台12侧面上的安装点68.1和68.2向后并 向外延伸并借助枢转支架70.1和70.2以与前部船体配置类似的方式被连接 到船体60.1和60.2上。支柱72.1和72.2延伸穿过悬置配置中后臂66.1和 66.2之间的平台12的侧面上的开口，该悬置配置包括与图3所示的配置类 似的如图4所示的摇杆和弹簧/缓冲器组件。

固定船体支撑部54、可动船体支撑部56、以及后部船体60组成一对 后部船体单元。

虽然图3和4示出了舷内悬置系统结构，也可使用带悬置单元的舷外 结构，每个悬置单元包括安装在平台外侧、在平台和相应船体之间的弹簧 和缓冲器组件。

可以不用图3和4(a)中所示的机械式弹簧/缓冲器悬置系统，而采用 有源(active)悬置系统。例如，图4(b)示出了一种有源悬置系统，其包 括主致动器118和辅助致动器120，两个致动器均被安置成由位于平台12 内的液压控制单元122操作。通过致动器杆126两个致动器在平台内的安 装点124和对应的后臂34；66之间进行操作。主致动器118控制使用中的 水运工具的动态悬置特性，而辅助致动器120被用来调节该水运工具的行 驶高度设置(ride height setting)。

图3和4的悬置系统还装有过度伸长限制装置，使悬置系统能被预张 紧并防止在极端的运行条件下船体相对于平台过度伸长。优选使悬置系统 预张紧(通常被预张紧约110％)以确保水运工具静止不动时所述悬置部完 全伸展。

在悬置系统内还集成有行驶高度设备(ride height facility)，该设备能 调节平台相对于船体的垂直高度。这可升高或降低使用中平台与水面的相 对高度。

所描述的配置允许每个船体28的前端能进行一定范围的受控垂直运动 和每个船体的后端较大范围的垂直运动。

通常，在枢接点30和62处的最大垂直运动是船体后端处的最大垂直 运动的10％到30％的范围内。

可将铰链26；58和30；62以及悬置单元32；64设计成限制可动船体 支撑部向下移动超过在图7中示意地示出的位置，以防止船体单元的过度 伸长。可动船体支撑部24；56的后端可从其的示出的静止位置围绕铰链26； 58沿弧形路径A向上枢转，而船体28；60的后端可围绕铰链30；62沿具 有基本上大于路径A的半径的弧形路径B向上枢转。

这可通过在每个铰链结合部中装入适当的止动机构并通过预张紧悬置 单元来实现以保证水运工具停止时船体单元采用中间对准。使用预张紧的 悬置单元可给予船体单元一定程度的刚性，而船体只在经受短暂冲击力时 起伏或枢转。使用如上面所描述的弹簧和缓冲的铰链可以不需要用于可动 船体支撑部24；56的第二相对笨重的带有关联悬置零件的后臂组件，从而 提供了重量轻的和相对成本低的可供选择的方案。

每个船体单元在横向于其纵向轴线的方向上具有平缓的大致‘S’形轮 廓，并具有由附联到平台的安装部限定的前端以及由对应的后船体的后端 限定的后端，船体单元的后端低于其前端。

从附图中可以看到，前部船体单元的后端位于后部船体单元的前端之 下。前部船体的悬置单元被设计成限制前部船体的向上移动，以防止前部 和后部船体之间的相互干扰。如从图2所示的底部平面图清楚地看到的那 样，前部和后部船体的外边缘基本对齐。前部船体单元略短于后部船体单 元，通常约短20％至40％。

可以注意到，每一船体单元相对于平台的纵向轴线从其前端向后并向 外弯曲。这提供了理想的无压(free-flowing)平台和船体结构。

通常可动船体支撑部件24和56的长度约为相应连接到该可动船体支 撑部件的船体的长度的20％到40％。可动船体支撑部件的前端被附联到在 平台12的主体上的较高的相应的固定船体支撑部件，而可动船体支撑部件 和船体自身向下朝其后端弯曲，致使每个船体的主要部分(substantial portion)处于平台12的下侧之下。船体的容积和浮力被设计成可确保船舶 在水中处于静止状态时平台12的底侧不与水接触。一般而言，可按照水运 工具的具体应用的功能和性能需求对船体的容积和浮力进行选择。

可将每个船体单元的形状设计成流体动力学效果最佳。每个可动船体 支撑部和船体组件形成整体的无压的S形船体单元，以便提供沿水平和垂 直平面的最佳的减震质量。船体单元具有总体匀称的锥形轮廓，借助固定 船体支撑部的形状和轮廓，可动船体支撑部和船体可从一个平滑地变形 (flowing)到下一个。每个船体在其前端的沿横向于平台12的纵向轴线的 方向的宽度处于船体的最大宽度的50％到100％的范围内，通常约为船体的 最大宽度的60％，而在每个船体的前端处的垂直截面深度处于船体的最大 垂直截面深度的2％到20％的范围内，通常约为船体的最大垂直截面深度的 10％。

每个船体形成有至少一个从其前端向后并向外弯曲的脊(chine)。正好 在对应的转座38或70的后部的每个船体的上部表面向下弯曲成逐渐缩小 的锥形后端。这种轮廓有助于降低可预计到的流体动力引起的负压。在该 区域内减少负压的再一措施是需要在上面提到的锥形区域内装入通风管 道，管道的进口被定位在船体的吃水线之上。

对于最佳的包括理想的快速垂直加速特性的船体动力学而言，船体应 具有小的质量。同时，船体在使用中受到相当大的压力(substantial stresses)， 通常规定船体结构应由如碳纤维、凯夫拉尔(Kevlar)或铝合金之类的耐用 的、强度高和重量轻的材料构成。

在某些实施例中，为使船体质量最小和提高它们的冲击阻力，可使它 们的内部增压。例如，可用一或多个柔性气动加压囊充填每个船体。

由于每个船体的前向端(forward end)被附联到安装在平台上的船体 支撑部并被该船体支撑部支撑，每个船体的大约30％的质量基本上是静态 和不起作用的(inactive)。每个船体的自由浮动(free floating)的后端占据 了大约70％的有效船体质量，这部分是承受动态运动的船体的部分。

重要的是，在不考虑获得高的缓冲质量(sprung mass)与非缓冲质量 比率的情况下，应使船体质量、特别是每个船体本身的动态质量最小。

虽然缓冲质量与非缓冲质量的高比率似乎可提供高效水运工具的系数 (index)，该系数可通过调节平台重量、通常利用压舱物或有效载荷来控制。

理想的是，相对于给定的平台质量，水运工具应具有尽可能最低的非 缓冲动态质量。简单地将水运工具的船体分成两个独立的船体将增大此比 率，而使用四个船体该比率将提高到四倍。使用所述的枢转几何结构能够 进一步提高约30％左右的动态非缓冲质量值(unsprung mess figure)。

所述配置可使水运工具内缓冲与非缓冲质量的比率高，通常在10:1的 整个范围内。这可通过将所述船体的设计和在船体中使用重量轻的材料相 结合来实现。

如从图5中可清楚地看到的那样，螺旋桨86.1和86.2被安装在后部船 体60.1和60.2的后端处并通过伸缩式驱动轴88.1和88.2被连接到位于发 动机舱20内的一对船用发动机90.1和90.2上。

为了限定在平台12的底侧和后部船体60.1和60.2之间的通道或空气 流动通路，在平台的侧面和各船体之间设有柔性壁或帘隔层(curtains)92.1 和92.2。每个壁包括一组一般的矩形重叠条板94，每一条板在上部拐角96 处枢转到固定于平台侧面的上部支撑导轨98，在条板的相对的下部拐角104 内形成有弯曲的狭槽100，该狭槽容纳销102，销102安装在对应的船体的 上部、内部边缘上的下部支撑导轨104上。条板94的枢转/滑动结构允许它 们运动，以调节船体和平台之间的相对运动，而在相邻条板之间的重叠保 证了足够的气密性。条板优选由轻的、结实(stiff)而呈柔性的材料构成， 例如，碳纤维或Kevlar合成材料。

当船舶以一定速度行驶时，空气进入被限定在平台12的下侧和后部船 体内侧之间的通道并产生正向空气动力压力，以有利于减少水动力阻力损 失。为了增加空气动力压力，在船舶的船尾处设有一对向下延伸的挡板106 和108，以便在较大范围封闭气流通路或通道的后端，因此使被限于通道内 的空气提供的提升力最大。各挡板由控制挡板突然运动的缓冲悬置单元110 和112和弹簧独立支撑。当船舶运行各船体60.1和60.2向上漂浮(ride upwardly)时，对应的挡板的下部外拐角114和116可与对应的船体60.1 和60.2的内边缘嵌合，并可在挡板和/或船体上设置滚子或其他轴承构件以 使所述零件在不损坏的情况下彼此相对运动。在船体的大范围漂移过程中 这种配置使挡板向上运动不与水接触。

由于受限于平台下方的空气和分开的船体的有效的流体动力学形状的 结合效果，所述船舶被设计成可在相对小的浸湿面积的情况下高速航行。 另外，使用多个独立悬置的船体，每个船体的质量比船舶的中央平台小得 多，这可使船舶能有效对付剧烈颠簸或湍急的水面条件，使平台、也使乘 员受到的冲击最小。所描述的四-船体结构在船舶和水之间提供了四个接触 点，这可确保船舶在横向和纵向平面两者中都很稳定。

可以理解的是，可根据需要调节平台和船体的相对尺寸和比例、它们 的相对质量、悬置零件的移动程度和船体的几何结构。例如，可使船舶在 用于最高速度或用于承载预定的有效载荷方面是最佳的。

所述水运工具的结构能很好地适用于广泛的几何调整，并可提供适用 于适度的和极端的两种运行条件下的水运工具。所述设计具有较大的减震 能力和高的系统效率。从根本上说，所述水运工具被定位于性能方面，而 不太强调容积和有效载荷需求。

虽然已描述了具有四-船体的水运工具，本发明的原理也可应用于两- 船体结构中。在两-船体样式中，船体基本上沿水运工具的全长延伸，每个 船体在其本身和水运工具的平台之间具有柔性裙边或帘隔层。在其他方面， 船体的悬置部基本上与上述单对船体相同。

所描述的实施例具有舷内推进单元，当然也可使用舷外单元，可将其 或者安装在平台上或者安装在后部船体的后端上。在帆船的情况下，可以 省略自备动力单元。